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        高原山區公路工程防災減災綜合技術及智能預警系統研究與應用示范
        發布:admin 發布時間:2018-03-01 瀏覽次數:3040


        一、立項背景

        本項目屬國家高技術研究發展計劃(863計劃),研究期限20122014年。該項目針對我國高原山區公路建設及養護過程中存在的以下邊坡及隧道工程的突出問題開展項目研究,旨在增強高原山區公路工程防災減災能力。具體需求如下:

        1. 高原山區公路邊坡災害機理研究不足,尤其針對暴雨條件下公路邊坡災害類型及誘發機理研究缺乏,導致高原山區公路邊坡災害的治理存在一定盲目性;

        2. 常規防治技術較為成熟,但缺乏機械化程度高、施工快速安全的新型防治技術;

        3. 由于公路工程線狀展布的實際特點,以及建設與運營階段的實際需求存在的顯著差異,公路邊坡監測預警工作對自動化監測、集成化管理具備更高的要求。

        4. 目前公路隧道設計及施工階段,還不能實現隧道施工階段的超前預報,隧道塌方及大變形機理不夠清晰,未形成完整的防治、監測體系。

        二、研究目的

        該項目緊密結合《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》交通運輸業重點領域中的交通運輸基礎設施建設與養護技術與裝備優先主題,依托云南省交通規劃設計研究院牽頭組建的陸地交通氣象災害防治技術國家工程實驗室,以高原山區高速公路基礎設施防災減災重大需求為背景,以公路建設、養護為主線,瞄準高原山區公路災害問題最為突出的邊坡、隧道結構,重點開展災害防治及監測預警關鍵技術研究。

        三、主要研究內容

        課題共設三個研究專題:    

        專題一:高原山區公路路基與高邊坡災害防治及監測評估預警技術研究;

        專題二:高原山區公路隧道災害機理、安全預警及防治技術研究;

        專題三:高原山區公路工程智能預警系統集成及災害防治綜合技術應用示范。

        專題一、二重點開展高原山區公路路基與高邊坡災害、隧道災害的智能監測預警及災害防治關鍵技術研究,專題三則偏重創新技術的應用示范研究。項目堅持產學研用相結合的研究思路,通過開展高原山區公路防災減災基礎性、前瞻性關鍵技術研究,形成防災減災系列技術儲備。課題的總體研究目標為:突破公路邊坡、隧道災害防治關鍵技術瓶頸,完成設計、工程、運營三位一體的災害防治技術體系的建立;實現對公路邊坡、隧道災害的科學化評價及智能化、自動化的監測預警,完成合理的減災防災安全預警和保障系統的建立;最終實現高原山區公路防災減災整體水平的提高。

        研究成果將整體提升我國高原山區公路基礎設施的安全保障水平和服務能力,為高原山區公路基礎設施的建設養護工作提供重要技術支撐。

        四、取得的主要成果

        該項目經過3年多的刻苦攻關,取得了一系列科研成果,公開發表論文6篇(其中SCI收錄1篇,EI收錄5篇),獲得專利2項,參編標準規范3個;課題的成果在多個實體工程得到應用,災害預警的相關技術應用于7個實體工程,災害防治方面的相關技術應用于6個邊坡工點,取得了良好的效果。

        1. 采用典型工點剖析、理論分析等研究方法,對暴雨誘發路塹邊坡及斜陡坡路堤病害模式進行分類。其中,將暴雨誘發路塹邊坡病害類型按其變形機理分為5類,暴雨誘發斜陡坡路堤病害按滑面由上至下分為7類,并總結暴雨在不同類型病害發展過程的作用機理;

        2. 針對鋼花管多次注漿抗滑體防治新技術,采用大比例模型試驗、數值分析、現場試驗及理論分析等手段,揭示其抗滑作用機理,提出設計方法,并總結施工工藝,提煉出施工流程與質量控制標準;


          

        3. 通過對多種監測技術的調研分析、引進吸收、自主研發并結合示范工程驗證等手段,將多種監測預警技術進行系統集成,建立了公路邊坡自動監測體系框架,并形成了邊坡災害風險評估、預測預警的理論和方法體系;

         

         


        4. 針對公路邊坡災害的復雜性和特殊性,提出風險評估方法和分級標準;在風險評估的基礎上,建立了變形跡象調查預警方法和標準;對于高風險的邊坡災害,形成了變形監測、結構應力監測的方法和標準;并提出了常用的預應力錨索框架、抗滑樁和預應力錨索樁的預警方法和標準;

        5. 采用軟弱圍巖相似材料配制技術、巖土體壓力-位移微擾動量測技術、巖土PIV圖像處理技術、全過程地質力學模型試驗系統,建立隧道塌方模型試驗研究方法。

         



        6. 針對高原山區公路隧道塌方特點,得出隧道塌方變形監測曲線,并基于監測曲線分析判別方法提出隧道塌方預警標準體系??紤]隧道塌方的時空特性提出高原山區連拱及小間距隧道隨施工過程分階段監測技術。

        五、社會經濟效益

        項目以高原山區公路工程防災減災重大需求為背景,針對災害防治面臨的突出問題展開攻關研究,研究成果緊扣工程實際,具有良好應用前景。

        1. 鋼花管多次注漿抗滑體防治新技術

        鋼花管多次注漿抗滑體防治技術,具備施工迅速、機械化程度高、對邊坡擾動小、雨季施工方便等優點,是一種具發展前途的新型邊坡加固技術。通過項目研究,解決了該技術防治滑坡的作用機理、設計方法、施工工藝及質量控制標準,為該技術推廣應用提供了強有力技術支撐。目前該技術已在依托工點進行應用示范,各項性能指標良好。鋼花管多次注漿抗滑體防治技術的推廣,將會提升我國山區公路邊坡災害處治的標準化、機械化水平,并為公路邊坡搶險提供一種快速有效處治措施,具備良好應用前景及行業影響;

         

        2. 全線公路邊坡災害的適宜預警體系

        項目針對公路邊坡災害特點,引用現代監測技術提出了邊坡災害的地面自動監測體系框架,開發新型監測設備的基礎上,構建了針對全線公路邊坡災害的適宜預警體系。在研究開發過程中,形成了具有實用價值的新型裝備和評估預警技術,并為公路工程的集成化管理提供了實用級別的范例。該套技術具備推廣應用前景,不僅適用于公路工程的建設及運營階段,也可推廣應用于其他相關行業。在實用軟硬件產品及技術服務領域,均具潛在市場效益;2. 全線公路邊坡災害的適宜預警體系

        3. 高原山區公路隧道災害機理、安全預警及防治技術研究

        課題圍繞高原山區公路隧道施工災害問題在調查分析、室內試驗、理論分析、現場監測、設計及防治方法、塌方預警方法、依托工程應用等方面開展大量工作。所獲以下成果能廣泛應用于工程實際與更深入的研究中:1)隧道塌方的模型試驗研究方法包括軟弱圍巖相似材料配制技術、巖土體壓力-位移微擾動量測技術、巖土PIV圖像處理技術、全過程地質力學模型試驗系統,這些技術手段為以后相關科研項目提供了借鑒的思路;2)在考慮圍巖動態壓力拱的基礎上改進了隧道荷載的計算方法,便于以后實際工程中更加準確的確定隧道的設計荷載,在保證安全的基礎上優化結構設計;3)節理裂隙的等效分析方法能夠有效應用于復雜的節理裂隙巖體隧道開挖圍巖變形穩定性分析,在保證結果準確性的基礎上,簡化問題的分析難度,并應用于以后的工程實際問題;4)隧道塌方的預警體系以及分階段的監測技術應用于具體的工程問題中,能夠保證施工過程中的安全性。

        目前成果已應用龍陵至瑞麗高速公路高速營盤坡2號隧道及茅草坪3號隧道,通過運用隨施工分階段監控量測方案、五級塌方監測預警體系,優化、改進了施工監測分析,為實現該隧道安全施工提供有效保證,提高了項目信息化施工水平;借鑒模型試驗及數值分析成果及建議,對隧道施工關鍵部位進行重點關注與加固,并采用相關的設計建議及施工措施。施工中通過分階段監測,多次準確預報了隧道塌方、大變形災害的發生,減少了人員傷亡和經濟損失。同時上述相關技術也將在深圳東部過境高速公路復雜環境下淺埋大斷面互通隧道以及浙江寧波野豬山隧道工程展開應用。

         

        我國是一個多山的國家,山丘區面積占全國總面積的75%,我國的西南大部分地區以山地為主。隧道在運營中改善了路線技術指標、縮短了路程和行車時間,提高了運營效益,因此在高原山區基礎設施建設中處在較高的地位。但隧道施工技術難度大,并且存在較大的風險,塌方是山嶺隧道建設過程中最為常見的工程災害,約占各類重大地質災害出現機率的90%以上,塌方一旦發生,危害巨大。因此課題研究成果將能夠廣泛應用于高原山區隧道設計施工中,形成隧道塌方預警體系,減少隧道災害發生、降低人員傷亡及財產損失,從而產生較大的經濟效益與社會效益。


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